Ученые из Южного федерального университета выдвинули гипотезу, которая может пролить свет на одну из самых увлекательных неразгаданных тайн современной физики – годовые колебания сигнала, регистрируемого детектором DAMA/LIBRA. Этот детектор на протяжении почти трех десятилетий фиксирует необычные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо, расположенной в Италии, которые трактуются как взаимодействие частиц темной материи с обычной материей.
Наличие во Вселенной скрытой массы, известной как темная материя, не вызывает сегодня никаких сомнений. Она обнаруживает себя исключительно посредством гравитационного воздействия, предотвращая распад галактик и оказывая влияние на распространение света. Все наблюдаемые нами объекты: звезды, планеты, газ — составляют лишь приблизительно пять процентов Вселенной, а остальная ее часть остается невидимой. По мнению большинства ученых, темная материя состоит из частиц, которые пока неизвестны науке и слабо взаимодействуют с обычным веществом.
В качестве потенциальных составляющих темной материи рассматриваются WIMP – массивные частицы, слабо взаимодействующие с обычной материей. Многочисленные поиски этих частиц в ускорителях и подземных лабораториях по всему миру пока не принесли результатов. Тем не менее, установка DAMA/LIBRA функционирует почти тридцать лет и демонстрирует устойчивый и подтверждаемый опыт: в кристаллах йодистого натрия наблюдаются вспышки сцинтилляции с энергией от 2 до 6 кэВ, количество которых возрастает в июне и снижается в декабре, повторяясь циклически из года в год.
Исследователи из НИИ физики Южного федерального университета занимаются изучением физических основ этих необычных результатов. Руководством научной школы осуществляют всемирно известные ученые, в том числе доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований Владимир Корчагин и доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований профессор Максим Хлопов.
В соответствии с гипотезой темных атомов, разработанной профессором Хлоповым в 2010 году, исследователи полагают, что темная материя не состоит из отдельных элементарных частиц, а представляет собой нейтральные сложные структуры – темные атомы, содержащие тяжелые частицы с множественным зарядом. Наиболее простой темный атом формируется посредством связи двойного отрицательного заряда с ядром обычного гелия в процессе его образования в ранней Вселенной.
«Когда подобные частицы темной материи проникают сквозь Землю, они взаимодействуют с горными породами, замедляются и теряют свою энергию. Их скорость недостаточна для высвобождения ядра из кристаллической структуры детектора – на этом принципе основан поиск аксионных частиц в других исследованиях. Однако, частицы темной материи способны взаимодействовать с ядрами натрия, используемыми в детекторе DAMA/LIBRA, формируя с ними состояние, связанное слабыми силами. В результате этого высвобождается энергия в форме гамма-излучения, чья энергия попадает в диапазон чувствительности прибора» , — рассказал Максим Хлопов.
Для ядер йода с большим атомным номером этот процесс оказывается энергетически неэффективным, и именно поэтому другие эксперименты, например, с использованием ксенона, не фиксируют аналогичного сигнала: у них отсутствуют более легкие ядра, которые могли бы взаимодействовать с темными частицами.
«Полученное значение обладает высокой статистической значимостью, равной 13,5 стандартных отклонений, что, на первый взгляд, не согласуется с результатами, полученными в других экспериментах при прямом поиске WIMP» , — поделился Владимир Корчагин.
В программной статье, в статье, опубликованной ростовскими астрофизиками в журнале Universe (первый квартиль) под руководством доктора Риты Бернабей и с участием сотрудников итальянской лаборатории, содержится подробное объяснение выявленных годовых колебаний в наблюдаемых явлениях. Также предложена интерпретация результатов, полученных другими исследовательскими коллективами, в контексте гипотезы о существовании темных атомов.
Решающим испытанием для данной гипотезы послужит австралийская установка SABRE South — первая лаборатория в Южном полушарии, предназначенная для поиска темной материи и схожая с DAMA/LIBRA. В случае, если она также зафиксирует годовые колебания сигнала, это станет почти неопровержимым подтверждением того, что природа темной материи установлена.
«В случае, если обнаружатся годовые колебания событий при проверке на этой установке, это позволит считать природу скрытой массы определенной, что, в свою очередь, предоставит новые перспективы для практического использования темных атомов» , — подчеркивает Максим Хлопов.
В настоящее время исследователи ЮФУ работают над улучшением своей модели, определяя электрическое и ядерное взаимодействие темных атомов с привычным веществом. Они также учитывают распределение заряда внутри ядер и потенциальные изменения их формы. Помимо этого, ученые создают методику комплексной проверки модели, предполагающую поиск стабильных частиц с множественным зарядом на коллайдерах и астрофизическое изучение признаков присутствия темных атомов в небесных телах.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ЮФУ